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ハーモニックドライブとESP32を使用したカスタム望遠鏡マウント

2025年8月19日原文(svendewaerhert.com)

概要

  • 天体写真 への興味から自作赤道儀プロジェクト開始
  • PCB設計スキル 習得で自作赤道儀構想が具体化
  • ハーモニックドライブ とESP32を用いた設計詳細
  • OnStepX によるファームウェア統合と運用実績
  • コスト詳細 と自作のメリット・学び

Spark：オリオン大星雲撮影から始まった天体写真趣味

  • YouTubeの Nebula Photos などの影響で天体写真に興味
  • OM System OM-5 と Olympus 15-140mmレンズ を三脚で使用
  • オリオン大星雲を 2秒露光×300枚 撮影、 Siril でスタック処理
  • さらなる品質向上を目指し、 Move Shoot Moveトラッカー （約€200）を導入
  • 目標天体の導入や極軸合わせの難しさに直面

PCB設計との出会いと自作赤道儀への応用

  • 2024年後半、 PCB設計動画 に刺激を受け自作熱が再燃

  • ESP32 とe-paperディスプレイを使い自宅サーモスタットを自作

  • PCB設計スキルを活かし、赤道儀の自作を決意

  • ハーモニックドライブ （波動歯車装置）採用を検討

  • AliExpress で部品探し、Google検索を駆使

    • 参考になった自作プロジェクト
      • HEMY、 HrEM、 DHEM、 DIY EQ Mount V2

  • ステッピングモーター、BLDCモーター、 Field Oriented Control（FOC） や SimpleFOC などのオープンソース実装を調査

設計方針とアーキテクチャ

  • PCB自体は必須ではない が、達成感と美しさを求めて自作

  • ハウジングは FreeCAD で8回以上設計をやり直し

  • 主要構成

    • RA軸： 42AIM15サーボモーター ＋Type 17ハーモニックドライブ（100:1減速）
    • DEC軸： MKS Servo042Dステッピングモーター ＋Type 14ハーモニックドライブ（100:1減速）
    • マウント： Arca Swissプレート
    • 動作モード： GEM/ALTAZ
    • マイコン： ESP32-S3
    • 電源： USB-C（最大24V/4A）
    • モータードライブ： ULN2003、 MODBUS/CANBUS 対応
    • 余剰GPIOピンは将来拡張用にブレイクアウト

  • モーターは 内蔵ドライバ 搭載でPCB設計が容易

  • FOCとマイクロステッピングで高精度追尾を実現

  • CANBUS 経由でステッパーモーターのマイクロステップ制御が可能

  • スリュー時は マイクロステップ数を減らし、高速移動とプロセッサ負荷低減を両立

PCB設計の詳細と失敗からの学び

  • KiCad で半円形PCBを設計、ハウジングにぴったり収まる形状

  • ESP32-S3 （PCBアンテナなし）を最適配置

  • AP33772 IC でUSB PD3.0対応、12V給電対応のモバイル運用

  • CentyLab のPicoPD回路図を参考

  • JST PHコネクタ 採用で小型＆2A対応、 Matt Millman の資料を活用

  • 初回PCB失敗例

    • AP33772S → AP33772 への部品変更時にピン互換性未確認
    • I2C通信不能＆外部PDトリガーボードでチップ破損
    • バージョン2 で徹底検証し問題解決、テストポイントも増設

OnStepXファームウェア統合と運用

  • OnStepX はDIY赤道儀向けオープンソースファームウェア
  • ESP32のWiFi機能で遠隔操作、スリュー中のWiFi不安定問題発生
    • スリューレート低下、マイクロステップ数変更、WiFiクライアント化で安定化
  • カスタムピンレイアウトとスリュー時のマイクロステップ変更以外は ほぼ標準構成で動作

製造・組立・実地運用

  • JLCPCB でPCB製造＆CNC加工を一括発注
  • 3Dプリント試作なしでCNC依頼、ほぼ完璧な精度
  • 組立はM3/M4タップでネジ穴加工し、手作業でコスト削減
  • 実際の運用
    • 極軸合わせ、KStars/Ekos/INDIサーバー設定に苦戦
    • WiFi・カメラ・ソフト設定・モーターカップリングなど多くの課題
    • PHD2 で1-2秒角の追尾精度を確認（600mmレンズで30秒露光に十分）
    • カメラは ISO3200、手振れ補正＆ノイズリダクションOFF
    • Siril でスタック、マルチナイトスタックは今後の課題

経済性とコスト詳細

  • 総コスト：約 €1,700 （工具類含む）、 単体コストは約€800

  • 工具や部材のまとめ買い・送料でコスト増

  • 商用GOTO赤道儀（€1,200～€4,000）と比較し競争力あり

  • 経済性よりも 学びと達成感 が主目的

    • 主なコスト内訳（抜粋）
      • モーター類：約 €300
      • ハーモニックドライブ：約 €180
      • PCB：約 €180×2回
      • CNC部品：約 €215
      • 工具類：約 €100

まとめと学び

  • 検証工程の省略は禁物 と痛感（特にPCB設計時）
  • OnStepX の存在がDIY赤道儀開発の敷居を大きく下げた
  • FreeCAD や KiCad の習得、部品選定、組立まで一連の経験値
  • 市販品にはない 自作ならではの満足感
  • 今後もさらなる改良・小型化・多機能化に挑戦予定

Hackerたちの意見

これ、めっちゃすごい！大きなハーモニックドライブマウントをスコープ用に買おうか考えたけど、値段が高すぎて無理だった。自分のスコープでekos/kstars/indiツールをうまく動かすのがどれだけ大変か、痛いほどわかってる。もしPythonでindiデバイスを操作してみたいなら、ちょっとしたPythonコードがあるよ（あんまり洗練されてないけど、自分のニーズには十分な感じ）： https://github.com/dahlend/contindi

└

いいプロジェクトだね。これを書くきっかけは何だったの？EKOSには結構いいスケジューリング機能があるみたいだけど（見たことはあるけど、使ったことはない）。その途中で、望遠鏡に接続されたMeLE 4Cミニコンピュータ上で動いているINDIサーバーを制御するためのTUIを作ったんだ：https://www.svendewaerhert.com/content/blog/telescope-mount/... リモートデスクトップを使った時に信頼性が悪かったから、ヘッドレスセットアップに切り替えたんだ。このTUIはもう少し整理したらGitHubにアップするつもりだよ。

CNC加工された金属パーツを注文できるのが本当に感動的！自分はまだ初心者のCADデザイナーだけど、その技術を学びたいな。

└

実はめっちゃ簡単だよ！1) ステップファイルをアップロード、2) 何ができるかを見るだけ： https://jlccnc.com/cnc-machining-quote

└

地元のMaker's Spaceに入ったのは、特に機械工房のためだったんだ。CNCマシンがあって、そのクラスを受けて認定をもらったよ。そこで、映画用カメラのサポートギアのためのシンプルなプレートデザインをCADソフトで作ったんだ。Gコードを生成するソフトもあって、シミュレーターでヘッドクラッシュをチェックできるんだけど、実際に作ろうと行くたびに、誰かがヘッドをクラッシュさせて壊しちゃって、ユニットが使えなかった。結局、普通の金属加工機械を使って手作りすることになったんだ。角が四角くなっちゃったし、穴の位置合わせも思ったほど正確じゃなかった。こういうサイトを知ってたら、CNCで作ってもらえたのにって思う。

FreeCADを使い始めて約3年になるけど、彼が作ったものを見ると本当に驚く。FreeCADが大好きだけど、こんなにイライラさせられるソフトウェアは初めてかも。

└

3年あれば、いくつかの簡単な押出しやポケットの作り方を学ぶには十分な時間だと思う。ここで見てるのは、基本的にはキャップ付きのパイプみたいなものだし。FreeCADはサーフェスモデリングをやろうとするとすごく複雑になるよね。

└

本当にそう。7年間趣味でFreeCADを使ってるけど、新しい機能に関してはめちゃくちゃイライラするUXの問題が多い。QAに通らないようなものもあって（自分はFE開発者だから、その辺はわかる）。過剰制約がエラーで、警告じゃない理由を理解しようとしたら、FreeCADフォーラムに何ページにもわたるスレッドがあって、常連たちが「パフォーマンス」のためにすべてが必要なように見えるって言ってた。これは意図的な選択なのに、解決策の制限じゃないのに。こういうゲートキーピングな態度は本当に嫌だな。プロジェクトにはUXの専門家と良いコミュニティマネージャーが必要だと思う。

└

同意する。暇なときにOnShapeとFreeCADを行ったり来たりしてる。OnShapeはすごく洗練されてる感じがする。FreeCADに戻るのは、いくつかのモデルを買ったから、OnShapeの無料プランで公開したくないから。できることがたくさんあるのはすごいけど、1時間かかると思ったことが、実際には6時間かかることも多い。夜遅くまでやってることもあるし。

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FreeCADみたいなプロジェクトには感謝してるけど、デザインしてるときは結構イライラしたこともあったよ。特にランダムにクラッシュすることが多くて、プロジェクトが複雑になるにつれて悪化した。使い方に関しては、FreeCADでのやり方を知ってるかどうかがほとんどだね。FreeCADでできないことには出会ったことがない。別のCADソフトの経験がないから、これに集中できたのかも。

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FreeCADが選択肢としてあるのは素晴らしいと思うし、成長を楽しみにしてる。でも、素早く質の高い作業をしたい人には、Autodesk Fusionの無料プランをおすすめするよ。原則的に使わないって人もいるけど、それはそれでいいと思う。趣味で使うには制限も少なくて、質の高いソフトウェアだよ。編集：ダウンボートされてるみたいだけど、仕事をするために非OSSソフトを勧めたからかな。でも、仕事をしたい人には、選択肢を考慮することをおすすめする。すべてのソフトウェアの選択が原則に基づく必要はないよ。

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ChatGPTやClaudeは、こういうことをガイドしてくれるのにすごく役立つと思う。ソフトウェアが作りたい機能のためにちゃんとしたドキュメントがあれば、AIはやり方を教えてくれるのが上手だよ。AIが参考資料が足りない深い内容もあるけど、無駄にクリックしたりYouTube動画を早送りで見るよりずっと早いと思う。基礎知識を構築するための勉強ガイドを作るように頼むこともできるし。ただし、いつも通り、ちょっとした幻覚があるから、リンクや参考文献を提供するように頼むのがいいよ。

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